鉴于目前的情况是在低雨，高温和干旱的限制下农业灌溉水资源的使用率普遍较低，新疆生产建设兵团的生产文化设计了基于ZigBee无线传感器网络的节水灌溉系统。系统使用8051微处理器作为控制器，形成带有各种温度和湿度传感器的传感器节点，以便收集棉田中的土壤水分。接CC2591功率放大器芯片CC2530主芯片可以远距离传输信息。
于无线通信的节点系统已在开放区域和棉田中进行设计和测试。田的有效通讯距离为825米。试结果表明，整个网络的平均丢包率为275％。此，该系统稳定可靠地工作，可以准确地收集棉田的各种信息，实现节水的灌溉目标。线传感器网络; ZigBee的;功放芯片;节水灌溉;棉田中图分类号：S274;文档代码TP2129：项目编号：收到1002至1302年（2017）16-0225-04 [HJ14mm]日期：2016-05 -10融资项目：国家计划 “863”（编号：2013AA102300）。者简介：谢振伟（1986-），硕士研究生，山东烟台，主要从事精细农业技术系统研究。子邮件：1220942844 @ qqcom。讯作者：马荣，博士，教授，硕士生导师，主要从事精准农业系统。子邮件：lzymrhs @ 163com。[HJ]新疆是中国的一个农业大省，用于灌溉的水约占其农业消费量的90％，位于该国内陆的干旱地区。降雨量稀少，气候干燥，导致水资源严重短缺。年来，随着工农业生产和城市的快速发展，水资源供需矛盾进一步加剧，水资源浪费现象日益严重。严重。
效的资源稀缺措施和促进水资源可持续利用的长期任务。为一种新的信息处理和通信技术，基于ZigBee的无线网络由于其低成本和可靠性而已经完全应用于农业自动化领域。自北京林业大学的蒋婷设计了一套基于ZigBee无线传感器网络的灌溉控制系统，该系统在北京和北京的小型农田中安装和运行。他地区，原则上已达到目标[3]。轰菌西北AF大学开发控制和自动灌溉场测量的基于ZigBee，一种系统，其采用由ZigBee模块与AT89C51和湿度传感器HM1500传感器节点，并在棉田的每个角落展开它。集，处理来自公众的信息并将其发送到远程控制中心进行灌溉决策和控制[4];但是，通信模块传输距离短，不适合新疆的大型农场。疆第149石狮子军团的棉田使用SD卡定期检查农田上的电磁阀，恒温阀芯达到灌溉的目的。述技术系统的应用不仅可以及时灌溉干旱区，而且还浪费水资源。此，本研究在前人的基础上，设计了一种基于ZigBee无线通信网络的灌溉控制系统，实现和控制节水灌溉系统的双向通信。统设计灌溉系统的一般结构在图1中所示的系统包括一个ZigBee网络节点，远程服务器，主计算机控制中心，一个基于ZigBee的网关和网络STM32F107 GPRS基于609 G [5]。系统的ZigBee无线网络采用网状拓扑，并且节点包括传感器节点，螺线管控制节点，路由节点（包括在通信模块中）和网关节点。中，网关节点由协调器播放。感器节点连接到湿度传感器和空气温度和湿度传感器，以定期收集棉田土壤湿度和周围环境参数，并传输信息通过ZigBee网络收集到协调器，ZigBee网络初始化网络的信道和IP地址。址，处理每个子节点的传入网络请求，并通过串口协议将数据信息传输到ZigBee网关;网关连接GPRS，上位机和无线传感器网络并进行交互;路由节点负责在节点之间传输数据包。据包发送给协调器，处理子节点网络访问请求等，以及通过GPRS存储和管理数据信息。算机系统的总体设计被设计成允许合理和准确地灌溉棉田，其必须主要收集水分和空气温度以及土壤湿度的参数。于系统设计和网络节点的低功耗，土壤水分检测使用Decagon生产的EC-5传感器。EC-5的外层可以承受高度的盐度，传感器电路受温度变化的影响较小，并且由于其较高的分辨率，很容易将其埋入不同的深度。壤进行长期测量。DHT22数字温湿度传感器用于测量空气温度和湿度。得的温度范围为-40至80°C，相对湿度范围为20％至90％，测量精度<05°C，≤2％[5]。果，传感器可以直接且稳定地反映土壤水分含量以及空气的温度和湿度。络通信模块设计无线的ZigBee的中央处理器采用由TI公司芯片，其集成了高性能的RF收发信机模块，改进的CPU 8051，静态RAM（SRAM）和A.开发CC2530外围设备如转换接口/ D.同时，CC2530具有不同的工作模式，模式之间的转换时间短，芯片的待机电流仅为1μA。于[CM（25））改善信息通信距离，可以在主芯片功率放大器的CC2591芯片组上安装[CM]，其输出功率可达22 dBm，理论最大传输距离为1 km。复杂的农业用地。感器节点的硬件设计传感器节点通常包括传感器模块，处理器模块，功率放大器模块和电源模块。结构如图2所示。磁控制节点的硬件设计电磁控制节点的硬件结构类似于传感器节点的硬件结构，不同之处在于设计接口连接到电磁阀控制节点。溉控制板和带双稳脉冲的电磁阀（图3）。据传感器节点收集的土壤湿度值和预定阈值，协调器控制每个阀门的打开和关闭以实现灌溉目标。关硬件设计无线传感器网络网关硬件采用意法半导体生产的高性能MCU-STM32F103C8T6芯片。构建MCU网关系统时，外部扩展模块包括电源模块，串行通信模块，存储模块，GPRS模块，协调器模块和继电器模块[8] （图4）。统的软件设计主要包括传感器节点程序，电磁阀控制节点和网关节点程序的设计。感器节点程序设计传感器节点应用程序层旨在执行底层网络驱动程序调用，同步信息收集，数据包压缩和传输，接收和同步。
析数据包。本思想是在接通节点后，它将自动加入协调器配置的ZigBee无线网络并获得自己的短地址。点初始化后，将定期收集农田信息，以及自己的设备编号，数据包编号和数据。据包收集在数据包中并传送给协调器，协调器收到数据包后，对数据包进行分析，如果土壤含水量高于阈值，则信息模式为采集保持不变，也就是说传感器的检测区域中的电磁场是闭合的。门，否则进入采集模式2，即打开电磁阀并同时监控现场数据（图5）。磁阀节点程序设计电磁阀节点应用层应用程序主要实现诸如调用，接收和执行由网关发送到网关的命令之类的任务。层。本思路是，在激活电磁阀节点后，它会自动添加到由协调器形成的ZigBee网络中并获得自己的短地址，然后汇总其自己的设备号，其编号数据包及其状态。发送给协调员，等待协调员的指令，分析电磁阀的控制指令和自指令起的空转时间，执行电磁阀的开启或关闭，并发送该状态协调器接收并分析输入的数据包，最后记录电磁阀的状态。关软件程序设计整个网络中ZigBee协调程序协调器的主要功能是建立无线传感器网络，从每个节点聚合数据并将控制命令传输到执行ZigBee无线网络与每个传感器和电磁阀节点之间的相互通信。9]。6显示了协调员计划。动STM32控制器网关硬件后，应用程序初始化，协调器配置无线网络，并通过RS2302串口连接到上位机的控制中心，GPRS模块为使用默认设置连接到远程服务器。序初始化完成后，系统开始监视网络，分别等待无线和以太网发送的数据，并确定数据从哪个网络传输。果命令是从以太网传输的，则需要命令扫描并调用串口模块。制传输到微MCU控制单元[10];如果是从无线网络发送的数据，则调用GPRS模块将信息发送到远程终端（图7）。花滴灌系统上位机的软件设计采用高级C 语言控制，基于TCP / IP协议，通过串口实现与网关的通信。看和存储历史数据，阈值，端口和采集时间。置诸如的任务。程服务器设计服务器使用Visual Studio 2010在C中增长。行Internet和网关之间的通信，并接收和显示每个节点的特定数据。试系统测试节点的通信距离无线传感器网络的有效通信距离直接影响整个网络的覆盖范围[11]。农业棉田，面积和种植密度相对较大，棉花的生长高度通常为5至6米。此，节点必须具有高传输功率以确保理想的通信距离。本研究中，节点的有效通信距离分别在开放区和棉田中进行测试：定义的节点高度分别为03，06和12米，传输功率固定为节点和24 GHz频段的RF功率最大为21 dBm。点收集的数据信息每5秒发送一次，当节点通过主机处于不同位置时，可以成功发送数据包，并且增加了发送和接收距离。么时候可以正确传输。协调器发送和接收不稳定时，激光测距仪用于检测两个节点之间的线性距离。复检测几次并取平均值。测试节点高度为12米时，通信距离最远。量节点的最大有效通信距离如表1所示。度特定节点测试感知精度是指设备获取信息的准确度。是无线传感器网络最重要的性能测量指标之一[12]。用机械湿度计，标准水银温度计和土壤湿度计在节点处同时测量水分和温度，相对于EC-5和DHT22传感器的测量值。
点。验结果表明，节点收集的湿度误差可达24％，平均误差为096％，温度误差低于05℃，平均误差为015 °C。8显示了2016年4月12日15:00节点温度的测量值和水银温度计的测量值。点的能耗测试方法采样电阻电压所以测量节点的能量消耗[12]。10Ω电阻串联连接到电源模块接口，并使用高精度通用计数器测量[FK（W12）[TPXZW8tif] [FK]]的实际[UK]电压。前电流为I = U / 10.根据每个当前状态I和持续时间t，每个节点的能量消耗由能量消耗计算公式测量。量结果表明，节点系统的空闲电流为007 mA，信息采集电流为112 mA，传输电流为126 mA。据功耗公式，节点的功耗为每分钟6 mAh / d，3V mAh电池系列37V可以延长无线传感器网络节点的使用寿命。500 d，满足系统低功耗的要求。于计算节点的能耗的公式为[JZ（Q = 24×2×（I1·I2·T1 T2 T3·I3）JZ）]其中I1，I2和I3是节点的睡眠电流，收集电流，发射状态电流。1025米，宽度：：721米，植物和宽度范围的长度：整体测试系统将在农业科技园石河子（棉花的总长度被设计034米×018米，高度05〜06 m），带无线传感器网络。测试测量了土壤的实际含水量，空气温度和棉田的水分。使用6个节点，包括1个协调节点，4个传感器节点，4个电磁阀节点和1个路由器节点。点3和4远离协调器，必须通过路由器节点。验将棉田分为四个区域：每个节点都有一个相应的传感器节点，用于监测区域的温度和湿度，并根据区域的水分含量控制相应的电磁阀控制节点开关。壤超过精确灌溉所需的阈值。影响。感器节点和螺线管控制节点的操作在图9中示出。络的分组丢失率测试节点根据方法将获取周期设置为20分钟。壤含水量的变化，采用唤醒休眠节点的机制连续监测7天。验结果如表2所示。2表明平均丢包率在整个网络中，该网络的传输率为275％，并且该系统在网络上的传输相对稳定可靠。
论本研究设计了一个以ZigBee无线传感器网络为中心的节水灌溉系统。芯片基于8051和CC2530。使用无线通信外围模块，CC2591功率放大器及其外围电路，EC-5土壤湿度传感器，DHT22数字温湿度传感器和外围电路用作模块。感器。组织网络形成具有自动愈合的网状网络，棉田节点之间的有效通信距离为825米。据测试结果，整个网络的平均丢包率仅为275％。上所述，该系统可靠，实时，可准确收集棉田各类信息，恒温阀芯控制电磁阀的工作，达到节水灌溉的目的。
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